CN107445060A - 应用于起重机健康监控的信息物理融合系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于起重机健康监控的信息物理融合系统及方法，其中，系统包括，数据获取单元，用于获取起重机数据；动态物理模型构建单元，用于根据起重机数据，计算出起重机各相关部件的物理状态，并根据物理状态构建动态物理模型；模型融合单元，用于将动态物理模型与三维虚拟模型进行融合以实现信息物理融合；交互显示单元，用于将融合后的三维虚拟模型以可交互界面形式将起重机相关数据信息呈现于显示终端，以供工作人员进行交互处理。

Description

应用于起重机健康监控的信息物理融合系统及方法

技术领域

本发明涉及信息物理融合系统，尤其涉及一种应用于起重机健康监控的信息物理融合系统。

背景技术

起重机作为一种装卸设备，广泛应用于货场、港口等场所，在货运行业发挥着重要的作用，其工作性质要求其结构及零部件具有高可靠性。其中，钢结构的安全性尤其重要，钢结构的破损会带来巨大的经济损失甚至人员伤亡事故。从80年代到现在，港口起重机因金属结构破损而造成的事故有数十起。近十年来，港口起重机数量大幅增加，由于起重机金属结构问题导致的事故也呈上升趋势，尤其是场桥起重机，事故频次高、给用户带来重大经济损失。如天津港曾发生过起重机主臂架折断和大轴承支承结构变形导致的重大事故。

我国起重机技术与世界先进水平相比较，在产品的零部件、元器件和整机的故障率等方面存在可靠性和安全性差，寿命短等差距。造成这种局面的原因是多方面的，主要有以下几个方面：

1)产品监测水平不高。主要表现在长期以来只能对起重机的短期性能指标(出厂性能)作全面考核，而对产品的可靠性，如平均无故障工作时间(MTBF)等一系列长期性能指标极少涉及，对起重机故障模式、故障率、故障原因缺乏深入了解，缺乏量的概念，致使国内的起重机故障多、寿命短。

2)产品安全监控能力差。与国外产品相比，我国起重机缺少运行自动监控系统，无法给用户提供准确信息对起重机及时维护、按时检修、到时报废。因而使起重机带病运行、超寿命运行现象大量存在，极易造成事故隐患。此外，现有的安全保护系统可靠性差，运行不久就性能下降，精度超标，故障频繁，甚至影响起重机正常作业，许多用户只能将安全保护系统短接，起重机失去安全保护作用，会带来不良后果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，将传感器采集的实时的起重机数据先构建一个动态的物理模型，再将该物理模型与三维虚拟模型融合，以构成起重机的物理信息融合系统，通过大数据分析，计算起重机上每个点的变形情况，实现起重机一出现“亚健康”症状，就及时报警，实现起重机健康状态的实时有效监控。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一方面，本发明提供一种应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，包括，

数据获取单元，用于获取起重机数据；

动态物理模型构建单元，用于根据起重机数据，计算出起重机各相关部件的物理状态，并根据物理状态构建动态物理模型；

模型融合单元，用于将动态物理模型与三维虚拟模型进行融合以实现信息物理融合；

交互显示单元，用于将融合后的三维虚拟模型以可交互界面形式将起重机相关数据信息呈现于显示终端，以供工作人员进行交互处理。

进一步地，起重机包括，场桥起重机，岸桥起重机。

进一步地，交互显示单元根据真实地图位置关系将起重机相关数据信息呈现于显示终端。

进一步地，起重机数据包括，设备管理数据，金属结构数据，主要金属零部件数据，电气系统数据，安全防护装置数据，载荷试验数据。

进一步地，

设备管理数据包括，设备历史运行记录数据、故障记录数据；

金属结构数据包括，主梁应力测试数据、结构件焊接数据、结构件几何尺寸测量数据、焊缝探伤数据；

主要金属零部件数据包括，吊钩数据、钢丝绳数据、滑轮数据、制动器数据；

电气系统数据包括，供电电源数据、馈电装置数据、电气设备及元件数据、电线及电缆数据；

安全防护装置数据包括，限位器数据、缓冲器数据、扫轨板数据、防护板数据；

载荷试验数据包括，空载试验数据、额载试验数据、静载试验数据，动载试验数据。

进一步地，数据获取单元采用智能传感器获取起重机数据，且智能传感器包括，应力传感器，位移传感器，加速度传感器，倾角仪，风速风向仪，温度传感器。

进一步地，起重机相关数据信息包括，吊机状态信息，起升机构状态信息，大车状态信息，小车状态信息，吊具状态信息，桥吊大梁状态信息，RTG自动接驳小车状态信息，控制系统变量状态信息，码头设施状态信息。

进一步地，

起升机构状态信息包括，起升机构基本状态，起升机构电机状态，起升机构紧急刹车状态，起升机构硬件限位状态；

大车状态信息包括，大车基本状态，大车驱动器状态，大车联锁状态，大车电机状态；

小车状态信息包括，小车基本状态，小车驱动器状态，小车联锁状态，小车电机状态；

桥吊大梁状态信息包括，桥吊大梁基本状态，桥吊大梁驱动器状态，桥吊大梁联锁状态，桥吊大梁电机状态。

进一步地，起重机相关数据信息实时存储在工业数据库中，且工作人员可通过可交互界面实时查询、导出或生成数据曲线。

另一方面，本发明还提供一种应用于起重机健康监控的信息物理融合方法，包括，

数据获取单元获取起重机数据；

动态物理模型构建单元根据起重机数据，计算出起重机各相关部件的物理状态，并根据物理状态构建动态物理模型；

模型融合单元将动态物理模型与三维虚拟模型进行融合以实现信息物理融合；

交互显示单元将融合后的三维虚拟模型以可交互界面形式将起重机相关数据信息呈现于显示终端，以供工作人员进行交互处理。

本发明提供的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统及方法，将传感器采集的实时的起重机数据先构建一个动态的物理模型，再将该物理模型与三维虚拟模型融合，以构成起重机的物理信息融合系统，通过大数据分析，计算起重机上每个点的变形情况，实现起重机一出现“亚健康”症状，就及时报警，实现起重机健康状态的实时有效监控。

附图说明

图1是本发明实施例提供的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统的框图；

图2是本发明实施例提供的基于真实地图的码头总览图；

图3是本发明实施例提供的场桥起重机状态监控界面图；

图4是本发明实施例提供的岸桥起重机状态监控界面图；

图5是本发明实施例提供的起重机起升机构工作状态界面图；

图6是本发明实施例提供的起重机起升机构控制界面图；

图7是本发明实施例提供的起重机电源工作状态界面图；

图8是本发明实施例提供的起重机实时故障报警界面图；

图9是本发明实施例提供的应用于起重机健康监控的信息物理融合方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

实施例一

结合图1，本实施例提供的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，包括，

数据获取单元1，用于获取起重机数据；

动态物理模型构建单元2，用于根据起重机数据，计算出起重机各相关部件的物理状态，并根据物理状态构建动态物理模型；

模型融合单元3，用于将动态物理模型与三维虚拟模型进行融合以实现信息物理融合；

交互显示单元4，用于将融合后的三维虚拟模型以可交互界面形式将起重机相关数据信息呈现于显示终端，以供工作人员进行交互处理。

本发明实施例提供的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，将传感器采集的实时的起重机数据先构建一个动态的物理模型，再将该物理模型与三维虚拟模型融合，以构成起重机的物理信息融合系统，通过大数据分析，计算起重机上每个点的变形情况，实现起重机一出现“亚健康”症状，就及时报警，实现起重机健康状态的实时有效监控。

优选地，起重机包括，场桥起重机，岸桥起重机。需要说明的是，本实施例对起重机的具体类型不作具体限定，可结合实际需要进行选定。

具体地，交互显示单元4根据真实地图位置关系将起重机相关数据信息呈现于显示终端。

本实施例中，如图2所示地，港口码头的起重机及配套设施按照真实地图位置关系进行显示，且图中的序号，例如，1A，为起重机在地图中的编号信息，直观且实用性高。

优选地，起重机数据包括，设备管理数据，金属结构数据，主要金属零部件数据，电气系统数据，安全防护装置数据，载荷试验数据。

本实施例中，如表1所示的，起重机数据包括，设备管理数据，金属结构数据，主要金属零部件数据，电气系统数据，安全防护装置数据，载荷试验数据。且，更加具体地，设备管理数据包括，设备历史运行记录数据、故障记录数据；金属结构数据包括，主梁应力测试数据、结构件焊接数据、结构件几何尺寸测量数据、焊缝探伤数据；主要金属零部件数据包括，吊钩数据、钢丝绳数据、滑轮数据、制动器数据；电气系统数据包括，供电电源数据、馈电装置数据、电气设备及元件数据、电线及电缆数据；安全防护装置数据包括，限位器数据、缓冲器数据、扫轨板数据、防护板数据；载荷试验数据包括，空载试验数据、额载试验数据、静载试验数据，动载试验数据。

表1起重机健康监控数据

进一步优选地，数据获取单元1采用智能传感器获取起重机数据，且智能传感器包括，应力传感器，位移传感器，加速度传感器，倾角仪，风速风向仪，温度传感器。

进一步优选地，起重机相关数据信息包括，吊机状态信息，起升机构状态信息，大车状态信息，小车状态信息，吊具状态信息，桥吊大梁状态信息，RTG自动接驳小车状态信息，控制系统变量状态信息，码头设施状态信息。本实施例中，如表2所示地，起升机构状态信息包括，起升机构基本状态，起升机构电机状态，起升机构紧急刹车状态，起升机构硬件限位状态；大车状态信息包括，大车基本状态，大车驱动器状态，大车联锁状态，大车电机状态；小车状态信息包括，小车基本状态，小车驱动器状态，小车联锁状态，小车电机状态；桥吊大梁状态信息包括，桥吊大梁基本状态，桥吊大梁驱动器状态，桥吊大梁联锁状态，桥吊大梁电机状态。

表2起重机作业状态监控数据采集点

此外，本实施例中，图3为场桥起重机状态监控界面，图4为岸桥起重机状态监控界面，且如图3或图4所示地，起重机状态监控界面以动态图形方式展示起重机的整体及各个主要机构工作状态和工作参数，并同时显示起重机的信息点和故障报警。

本实施例中，能够对起重机的主要机构进行界面显示；对起重机的电源和通信系统进行界面显示；对起重机的电流、电压等模拟量的工作参数进行界面显示；对起重机告警信息进行界面显示。且具体地，图5为起重机起升机构工作状态界面，图6为起重机起升机构控制界面，图7为起重机电源工作状态界面，图8为起重机实时故障报警界面。如图8所示地，起重机实时故障报警界面能够实时显示全部起重机的故障报警信息，设备抢修人员在去现场前可以先通过故障报警界面和起重机(机构)监控界面的信息判别故障类型，某些故障可以远程解决，对于需要去现场的也可以根据故障类型预先携带相应工具和更换的配件，实现快速诊断、快速抢修。

进一步优选地，起重机相关数据信息实时存储在工业数据库中，且工作人员可通过可交互界面实时查询、导出或生成数据曲线。

本实施例中，具体地，工作人员可直接在界面点击“导出”获取系统数据，例如，获取远程抄表数据。更加具体地，例如，起重机上的钢缆、刹车片等配件都具有一定的使用寿命，一般与起重机的工作时间有关，而起重机工作时各个机构的实际工作时间是不同的，因此必须精确计量各个机构的工作时间才能监控钢缆、刹车片等的剩余寿命，并且在达到预定工作时间时安排检测。以前各个机构的工作时间都是通过安装在起重机上的机械表来计量，并由人工定期抄表，码头堆场面积很大，一百多台设备的抄表要花费两天以上。而本实施例在港口起重机健康监控系统中实现的远程抄表，可以供工作人员设定任意起始时间，系统自动计算起重机各个机构的工作时间并以表格形式展现，且可以直接导出为EXCEL表格，效率高。

实施例二

结合图9，本实施例提供的应用于起重机健康监控的信息物理融合方法，包括，

步骤S1：数据获取单元1获取起重机数据；

步骤S2：动态物理模型构建单元2根据起重机数据，计算出起重机各相关部件的物理状态，并根据物理状态构建动态物理模型；

步骤S3：模型融合单元3将动态物理模型与三维虚拟模型进行融合以实现信息物理融合；

步骤S4：交互显示单元4将融合后的三维虚拟模型以可交互界面形式将起重机相关数据信息呈现于显示终端，以供工作人员进行交互处理。

本发明实施例提供的应用于起重机健康监控的信息物理融合方法，将传感器采集的实时的起重机数据先构建一个动态的物理模型，再将该物理模型与三维虚拟模型融合，以构成起重机的物理信息融合系统，通过大数据分析，计算起重机上每个点的变形情况，实现起重机一出现“亚健康”症状，就及时报警，实现起重机健康状态的实时有效监控。

优选地，起重机包括，场桥起重机，岸桥起重机。需要说明的是，本实施例对起重机的具体类型不作具体限定，可结合实际需要进行选定。

具体地，交互显示单元4根据真实地图位置关系将起重机相关数据信息呈现于显示终端。

本实施例中，如图2所示地，港口码头的起重机及配套设施按照真实地图位置关系进行显示，且图中的序号，例如，1A，为起重机在地图中的编号信息，直观且实用性高。

优选地，起重机数据包括，设备管理数据，金属结构数据，主要金属零部件数据，电气系统数据，安全防护装置数据，载荷试验数据。

本实施例中，如表1所示的，起重机数据包括，设备管理数据，金属结构数据，主要金属零部件数据，电气系统数据，安全防护装置数据，载荷试验数据。且，更加具体地，设备管理数据包括，设备历史运行记录数据、故障记录数据；金属结构数据包括，主梁应力测试数据、结构件焊接数据、结构件几何尺寸测量数据、焊缝探伤数据；主要金属零部件数据包括，吊钩数据、钢丝绳数据、滑轮数据、制动器数据；电气系统数据包括，供电电源数据、馈电装置数据、电气设备及元件数据、电线及电缆数据；安全防护装置数据包括，限位器数据、缓冲器数据、扫轨板数据、防护板数据；载荷试验数据包括，空载试验数据、额载试验数据、静载试验数据，动载试验数据。

表1起重机健康监控数据

进一步优选地，数据获取单元1采用智能传感器获取起重机数据，且智能传感器包括，应力传感器，位移传感器，加速度传感器，倾角仪，风速风向仪，温度传感器。

进一步优选地，起重机相关数据信息包括，吊机状态信息，起升机构状态信息，大车状态信息，小车状态信息，吊具状态信息，桥吊大梁状态信息，RTG自动接驳小车状态信息，控制系统变量状态信息，码头设施状态信息。本实施例中，如表2所示地，起升机构状态信息包括，起升机构基本状态，起升机构电机状态，起升机构紧急刹车状态，起升机构硬件限位状态；大车状态信息包括，大车基本状态，大车驱动器状态，大车联锁状态，大车电机状态；小车状态信息包括，小车基本状态，小车驱动器状态，小车联锁状态，小车电机状态；桥吊大梁状态信息包括，桥吊大梁基本状态，桥吊大梁驱动器状态，桥吊大梁联锁状态，桥吊大梁电机状态。

表2起重机作业状态监控数据采集点

此外，本实施例中，图3为场桥起重机状态监控界面，图4为岸桥起重机状态监控界面，且如图3或图4所示地，起重机状态监控界面以动态图形方式展示起重机的整体及各个主要机构工作状态和工作参数，并同时显示起重机的信息点和故障报警。

本实施例中，能够对起重机的主要机构进行界面显示；对起重机的电源和通信系统进行界面显示；对起重机的电流、电压等模拟量的工作参数进行界面显示；对起重机告警信息进行界面显示。且具体地，图5为起重机起升机构工作状态界面，图6为起重机起升机构控制界面，图7为起重机电源工作状态界面，图8为起重机实时故障报警界面。如图8所示地，起重机实时故障报警界面能够实时显示全部起重机的故障报警信息，设备抢修人员在去现场前可以先通过故障报警界面和起重机(机构)监控界面的信息判别故障类型，某些故障可以远程解决，对于需要去现场的也可以根据故障类型预先携带相应工具和更换的配件，实现快速诊断、快速抢修。

进一步优选地，起重机相关数据信息实时存储在工业数据库中，且工作人员可通过可交互界面实时查询、导出或生成数据曲线。

本实施例中，具体地，工作人员可直接在界面点击“导出”获取系统数据，例如，获取远程抄表数据。更加具体地，例如，起重机上的钢缆、刹车片等配件都具有一定的使用寿命，一般与起重机的工作时间有关，而起重机工作时各个机构的实际工作时间是不同的，因此必须精确计量各个机构的工作时间才能监控钢缆、刹车片等的剩余寿命，并且在达到预定工作时间时安排检测。以前各个机构的工作时间都是通过安装在起重机上的机械表来计量，并由人工定期抄表，码头堆场面积很大，一百多台设备的抄表要花费两天以上。而本实施例在港口起重机健康监控系统中实现的远程抄表，可以供工作人员设定任意起始时间，系统自动计算起重机各个机构的工作时间并以表格形式展现，且可以直接导出为EXCEL表格，效率高。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，其特征在于，包括，

数据获取单元，用于获取起重机数据；

动态物理模型构建单元，用于根据所述起重机数据，计算出起重机各相关部件的物理状态，并根据所述物理状态构建动态物理模型；

模型融合单元，用于将所述动态物理模型与三维虚拟模型进行融合以实现信息物理融合；

交互显示单元，用于将融合后的三维虚拟模型以可交互界面形式将起重机相关数据信息呈现于显示终端，以供工作人员进行交互处理。

2.根据权利要求1所述的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，其特征在于，所述起重机包括，场桥起重机，岸桥起重机。

3.根据权利要求2所述的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，其特征在于，所述交互显示单元根据真实地图位置关系将起重机相关数据信息呈现于显示终端。

4.根据权利要求1所述的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，其特征在于，所述起重机数据包括，设备管理数据，金属结构数据，主要金属零部件数据，电气系统数据，安全防护装置数据，载荷试验数据。

5.根据权利要求4所述的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，其特征在于，

所述设备管理数据包括，设备历史运行记录数据、故障记录数据；

所述金属结构数据包括，主梁应力测试数据、结构件焊接数据、结构件几何尺寸测量数据、焊缝探伤数据；

所述主要金属零部件数据包括，吊钩数据、钢丝绳数据、滑轮数据、制动器数据；

所述电气系统数据包括，供电电源数据、馈电装置数据、电气设备及元件数据、电线及电缆数据；

所述安全防护装置数据包括，限位器数据、缓冲器数据、扫轨板数据、防护板数据；

所述载荷试验数据包括，空载试验数据、额载试验数据、静载试验数据，动载试验数据。

6.根据权利要求1所述的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，其特征在于，所述数据获取单元采用智能传感器获取起重机数据，且所述智能传感器包括，应力传感器，位移传感器，加速度传感器，倾角仪，风速风向仪，温度传感器。

7.根据权利要求1所述的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，其特征在于，所述起重机相关数据信息包括，吊机状态信息，起升机构状态信息，大车状态信息，小车状态信息，吊具状态信息，桥吊大梁状态信息，RTG自动接驳小车状态信息，控制系统变量状态信息，码头设施状态信息。

8.根据权利要求7所述的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，其特征在于，

所述起升机构状态信息包括，起升机构基本状态，起升机构电机状态，起升机构紧急刹车状态，起升机构硬件限位状态；

所述大车状态信息包括，大车基本状态，大车驱动器状态，大车联锁状态，大车电机状态；

小车状态信息包括，小车基本状态，小车驱动器状态，小车联锁状态，小车电机状态；

所述桥吊大梁状态信息包括，桥吊大梁基本状态，桥吊大梁驱动器状态，桥吊大梁联锁状态，桥吊大梁电机状态。

9.根据权利要求8所述的应用于起重机健康监控的信息物理融合系统，其特征在于，所述起重机相关数据信息实时存储在工业数据库中，且工作人员可通过可交互界面实时查询、导出或生成数据曲线。

10.一种应用于起重机健康监控的信息物理融合方法，其特征在于，包括，

数据获取单元获取起重机数据；

动态物理模型构建单元根据所述起重机数据，计算出起重机各相关部件的物理状态，并根据所述物理状态构建动态物理模型；

模型融合单元将所述动态物理模型与三维虚拟模型进行融合以实现信息物理融合；

交互显示单元将融合后的三维虚拟模型以可交互界面形式将起重机相关数据信息呈现于显示终端，以供工作人员进行交互处理。